Application of green laser marking in medical industry

 

Marking is critical for the medical device and pharmaceutical industries to enable product tracking and identification and combat counterfeiting. Usually, people use ink to print labels. In recent years, infrared lasers have been used for marking. But these methods have shortcomings. Ultraviolet diode-pumped solid-state lasers (DPSS) have truly overcome the drawbacks of other technologies, but were rarely used in the past due to their high cost. However, the substantial reduction in investment cost and acquisition cost makes UV laser marking attract more attention for medical applications. This article reviews the characteristics of UV laser marking and shows how UV laser marking can be used in certain medical and pharmaceutical industries.

 

medical marking

 

Compared with other industries, medical products have more unique requirements for marking. Pills are taken orally, and many other medical products (such as catheters, stents, etc.) are applied externally or implanted in patients. Therefore, it is generally required that the marking itself cannot be a source of contamination or contain chemical components that could cause allergic reactions. In addition, it is generally required that the marked surface be smooth after marking to avoid tissue damage and to avoid making the mark a breeding ground for bacteria.

uv laser | green laser | Ultraviolet lasers | uv dpss laser | nanosecond laser | UV laser source | Solid State Lasers

Medical markings are often also required to include batch numbers, serial numbers, or other identifying information that can identify when and where a particular product was manufactured. Therefore, if a product is found to be defective, users can easily confirm that the product they purchased is from the same batch.

 

Batch and source marking can also help address a growing problem in the pharmaceutical and medical industries, namely counterfeit and "marketplace" products. Sometimes counterfeit products simply rip off the label from the bottle and put a new one on. But Western countries are increasingly inundated with counterfeit medicines (often made in Asia) that look exactly the same but may contain the wrong dose or fail to meet the necessary quality control standards.

 

Therefore, the ideal medical mark should be difficult to erase, easy to identify, difficult to copy or replace, contains unique serialized information, and does not alter the functionality of the product.

 

traditional marking method

 

For the marking of medicines, medical devices and their packaging, the mainstream method has always been ink printing (inkjet or pad printing). Pills are usually stamped using gravure offset printing. For manufacturers, this printing method is chosen because of its relatively low investment cost. However, consumables (ink) costs are usually higher.

 

The main disadvantage of printing in medical applications is that the printed indicia are always easily removed or altered (especially if printed on paper labels). This means that after transportation, handling and storage, printed marks can become difficult to identify and easily counterfeited by those with ulterior motives. Print quality is also limited, creating problems if manufacturers want to squeeze more information, including QR codes, into a small area. For pill printing in particular, it is difficult to apply to the increasingly popular "soft gel capsules" because of the stress on the product during lithography.

 

의약품 및 의료 기기를 인쇄하는 데 사용되는 잉크는 무독성이지만 인쇄 장비 자체는 인쇄된 제품을 오염시킬 수 있는 공기 중 윤활제 및 용제를 사용하여 종종 "더러워집니다". 또한 인쇄 장비는 종종 매우 복잡하며 청소 및 유지 관리를 위해 가동 중지 시간이 필요합니다.

 

레이저 마킹은 오염 문제를 방지하고 소모품 비용이 필요하지 않은 비접촉식 마킹 방법입니다. 또한 레이저 마킹은 일반적으로 고대비 및 고해상도 마킹으로 작은 인쇄 영역을 지원하며 곡면 또는 윤곽이 있는 표면에 적용할 수 있습니다.

 

레이저 마킹은 일반적으로 적외선에서 CO2 또는 고체 레이저를 사용합니다. 마킹 공정 자체는 열 공정으로, 재료가 하얗게 될 때까지 가열되고, 탄화되거나 제거되어 색상 대비를 생성합니다. 거의 모든 플라스틱은 원적외선 CO2의 열 출력을 직접 흡수하며, 때로는 이 과정을 용이하게 하기 위해 근적외선 고체 레이저와 결합된 흡수 첨가제를 사용합니다. 그러나 열을 가하면 HAZ 재료의 화학 구조가 변경되어 일부 표면 범프가 발생합니다. 이것은 박테리아의 서식지를 제공하며 청소하기 어렵습니다.

 

UV 레이저 마킹

 

적외선 레이저에 비해 자외선 레이저와 재료는 기본적으로 상호 작용하기 어렵습니다. 특히 주파수 3배 다이오드 펌핑 고체 레이저의 UV(355nm) 출력은 장파장에서보다 훨씬 더 많이 흡수합니다. 그런 다음 플라스틱의 충전제 또는 안료와 발광 화학(광열보다는) 상호 작용을 합니다. 대부분의 플라스틱은 흰색이며 안료는 이산화티타늄(TiO2)으로 자외선을 많이 흡수하여 결정 구조를 변경합니다. 이로 인해 물질의 색상이 어두워져 표면이 아닌 재료 내부에 매끄럽고 읽기 쉬운 표시가 생성됩니다.

 

마크는 실제로 재료 내부에 있기 때문에 박테리아의 온상이 없으며 재료 자체를 손상시키지 않고 마크가 변경되거나 손상되는 것은 거의 불가능합니다. 또한 냉간 가공 공정이기 때문에 기본적으로 열 영향부가 없고 주변 재료에 변화가 없습니다. 또한 UV 광선의 높은 흡수율은 낮은 레이저 출력을 사용하여 재료를 가공할 수 있음을 의미합니다. 마지막으로 UV 광은 적외선보다 더 집중할 수 있기 때문에 UV 레이저는 QR 코드와 같은 복잡한 고해상도 표시의 마킹을 지원합니다.

 

위의 장점을 감안할 때 과거에는 UV 레이저가 의료 마킹에 널리 사용되지 않은 이유는 무엇입니까? 답은 간단합니다. 비용입니다. 그러나 지난 10년 동안 코히런트는 UV 레이저 수명, 신뢰성 및 출력에서 ​​상당한 발전을 이루었습니다. 이는 레이저 설계, 재료의 개선 및 생산 공정에서 엄격한 클린룸 절차 사용을 통해 달성됩니다. 또한 자동화된 조립 방법과 판매량 증가로 인한 규모의 경제는 UV 레이저의 가격을 5%까지 낮추는 데 도움이 되었습니다.

 

마커 효과

 

Coherent Applications Laboratory(독일 Lübeck)는 355nm 다이오드 펌핑 고체 레이저(MATRIX 355)를 사용하여 다양한 의료 응용 분야에 사용되는 대표적인 재료를 표시했습니다. 가장 관련성이 높은 결과는 다음과 같습니다.

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 의약품 포장 및 식품뿐만 아니라 물병 생산에도 널리 사용되는 플라스틱입니다. HDPE의 잉크젯 표시는 용제를 사용하여 제거할 수 있으므로 포장 후 제품에 다시 라벨을 붙일 수 있습니다. 또한 잉크로 인해 오염이 발생할 수 있습니다.

 

이 테스트에서는 레이저를 사용하여 바이알의 곡면에 QR 코드를 표시했습니다(그림 1). 355nm 레이저는 30μm의 스폿 크기를 사용하고 검류계 검류계 시스템을 사용하여 부품 표면을 스캔합니다. 이 구성에서는 고대비 8x8mm 바코드 패턴을 2초 안에 생성할 수 있습니다.

 

 

그림 1: QR 코드가 표시된 약병

MATRIX 355 레이저는 펄스 EQ(PulseEQ) 모드가 반복률이 변경되더라도 펄스 에너지를 일정한 값으로 유지하기 때문에 HDPE에 이러한 마크를 표시하는 데 특히 적합합니다. 그리고 Q 스위치 레이저는 그렇게 할 수 없습니다. 변화하는 반복 속도를 통해 마크의 색상, 음영 및 펄스 중첩이 다른 스캔 매개변수에 영향을 주지 않고 빠르게 변경되어 마크의 작동 범위 내에서 유지하기가 더 쉬워집니다.

 

의료 분야에서 널리 사용되는 또 다른 플라스틱은 투명하거나 흰색인 실리콘 고무입니다. 실리콘 고무는 일반적으로 환자의 정맥 수액용 카테터를 만들거나 캐뉼라를 만드는 데 사용됩니다. 일반적으로 호스에는 지름 크기와 보관 날짜가 표시되어 있어야 합니다(법적으로 이러한 호스는 3년 이내에 사용해야 함). 이러한 방식으로 레이저는 카테터의 내부 표면에 집중되므로(그림 2) 마킹이 외부 표면의 질감을 전혀 변경하지 않습니다(외부 표면이 환자와 직접 접촉하기 때문에).

 

 

그림 2: 내경에 흰색 글자로 표시된 실리콘 고무 튜브.

 

실험실에서는 가능한 가장 빠른 마킹 속도를 결정하기 위해 다양한 유형의 연질 및 경질 캡슐에 대한 마킹 테스트를 수행했습니다(그림 3). 1.5mm 높이의 연질 캡슐 마킹 시 가장 빠른 속도는 <0.024s/character에 도달할 수 있습니다. 모든 표시는 가독성이 뛰어납니다. 1×1mm 하드캡슐에 0.2초만에 2차원 코드 마킹이 완료됩니다. 대조적으로 잉크 코딩은 인쇄 후 알약을 처리하여 표시가 번지는 것을 방지하기 위해 1-2초의 건조 시간이 필요합니다.

 

 

그림 3: UV 레이저 마킹된 연질 캡슐(a) 및 경질 캡슐(b).

 

또 다른 유형의 젤라틴은 일부 의료 제품용 블리스터 팩을 만드는 데도 사용됩니다(그림 4). 그러면 포장재의 최대 침투 깊이가 30%(구체적으로 전체 두께는 0.58mm, 침투 깊이는 0.17mm에 도달해야 함)의 명확한 표시를 생성해야 합니다. 레이저 펄스 에너지는 100μJ이고 스캔 속도는 1.3m/s입니다. 레이저는 160μm 너비의 형상선을 생성하기 위해 작업 표면에서 의도적으로 초점을 흐리게 했습니다. 색상이 변하는 마킹은 재료를 제거하지 않고 좋은 대비를 나타냅니다.

 

 

그림 4: 젤라틴 블리스터 포장 마킹.

 

Coherent Applications Laboratory의 테스트 결과 UV 다이오드 펌프 고체 레이저가 의료 기기 및 제약 제품을 고화질 및 해상도로 신속하게 마킹하는 데 효과적인 도구인 것으로 나타났습니다. 이 영구 마커는 인쇄된 것보다 낫습니다. UV 레이저는 장파장 레이저에 비해 열처리를 견디지 ​​못하는 플라스틱, 종이 등 다양한 소재에 적용할 수 있다는 장점이 있다.